5分钟了解什么是真正的深度学习

640?wx_fmt=gif

640?wx_fmt=jpeg
人工智能(AI)和机器学习(ML)在当下的火热程度我就不多说了,但是真正懂这方面的人又有多少呢?

本文将带你了解人工智能和机器学习的基本知识。同时,你也会了解到机器学习中最火的方法——深度学习的工作原理。

注意:本文是用来科普的,所以不会涉及到具体代码层面的知识。

了解深度学习的第一步,是把握各个概念之间的区别。
 
01 人工智能与深度学习

人工智能(AI)是在代码中复制人类的智能,思考方式。

AI刚刚起步的时候,工程师尝试复制的只是人类完成的特定动作。

他们通过代码给人工智能制定了大量的规则。它有一张可执行行为的“清单”,并根据制定的规则作出判断,从而产生行为。
 
机器学习(ML)指机器、程序通过数据的采集来学习的能力。
注意:这里的规则并不是固定的。

机器学习允许程序自己进行学习。这样的学习以及高性能计算机的处理支持,可以轻松处理大量的数据,从而完成学习。
 
02 监督学习与非监督学习

监督学习应用标记过的数据,输入规定范围内的数据,同时也规定了输出的范围。

如果使用监督学习来训练人工智能,你要给它一个输入并告诉它预期的输出。有些类似大学期间学的高等数学中的函数。

如果机器输出的内容不在预期范围内,它会重新调整它的计算。这个过程是通过计算完成数据集才完成的,直到机器不再犯错。

监督学习的一个例子是天气预报AI。它通过历史数据来学习预测天气。训练数据有输入(气压,湿度,风速)和相应的输出(温度)。
 
无监督学习是使用没有固定结构或者说范围的数据集进行机器学习。

如果使用无监督学习训练机器,就是让机器对数据按照一定的逻辑进行分类。

无监督学习的一个例子是电商网站的行为预测,根据用户的行为来推荐用户可能会购买的商品。

它会自己对输入数据创建分类。它会告诉你哪种用户最有可能购买这款产品。
 
03 那么,深度学习如何进行工作?

现在,你已经具备了理解深度学习工作原理的基本知识。

深度学习是一种机器学习方法,可以通过一组输入,训练AI来预测输出。监督学习和无监督学习都能用来训练AI。简单的理解就是:机器学习包含深度学习。

我们将通过建立一个假想的车票估价服务来了解深度学习是如何工作的。我们将使用监督学习方法进行训练。
 
我们希望估价工具能够使用以下以下几个数据指标来预测车片价格:

1、始发车站
2、到达车站
3、发车日期
4、路线
 
首先,来看看人工智能大脑的内部构造。

和人类一样,机器学习也是有大脑内部的神经元的,通常用圆圈来表示。并且它们是互相连接在一起的。
 
640?wx_fmt=jpeg

这些神经元被分成三层:

1、输入层
2、隐藏层
3、输出层

输入层:来接收数据。在之前的案例中,输入层有4个神经元:始发车站、到达车站、发车日期、路线,输入层把输入传递到隐藏层的第一层。
 
隐藏层对输入数据进行数学计算。建立神经网络的一个难题就是如何决定隐藏层的数量以及每一层的神经元个数。
 
深度学习中的“深”指的是神经网络有超过一层的隐藏层。
 
输出层返回输出数据。在前文的案例中,输出就是价格预测。
 
那么它如何计算价格预测呢?

这就是深度学习的魔力开始的地方。
 
神经元之间的每个连接都有对应不同的权重。这个权重决定了输入值的重要性。初始权重是随机设置的。
 
在预测车票价格时,发车日期是较重要的因素之一。因此,发车日期的神经元连接权重较高。
 
每个神经元都有一个函数。

简而言之,其目的之一是“标准化”神经元的输出。

一旦一组输入数据通过了神经网络的每一层,它就通过输出层返回输出数据。

是不是没想象中的那么深奥对吧?

04 如何学习深度学习?

具体你需要经历以下几个步骤:
·  深度学习整体概述:了解深度学习的前世今生、为什么会爆发深度学习热潮?代表的技术有哪些,涉及到什么样的领域、产品、公司,以及各行各业中的应用。尽可能的科普深度学习的相关知识;
·  深度学习预备知识:数学基础(线性代数、矩阵、概率统计、优化等等)、机器学习基础、编程基础;
·  深度学习核心知识:神经网络、深度网络结构、图像任务、语音任务、自然语言任务;
· 深度学习进阶知识:如何使用深度学习框架,完成网络的搭建、训练。

05 为大家推荐一些课程和教材

·  首先是线性代数,推荐麻省理工推出的课程《麻省理工公开课:线性代数》,你会发现和我们本科学的线性代数好像不太一样,这个讲解的更加容易理解!!不再是停留在做计算题的层次,是真的有用!
·  还有就是偏实操的《智能问答与深度学习》,本书介绍了近年来自然语言处理和机器阅读的成果并带有翔实的示例,对实际应用有很好的借鉴意义。

#文末福利#
购课送《智能问答与深度学习》实体书一本

我们与《智能问答与深度学习》的作者王海良老师在以及来自微软、阿里、今日头条、优酷等5名技术专家,特别针对零基础想入行深度学习的同学联合出品了《从零开始深度学习》这门课程。

希望通过这门课程帮助大家真正的克服畏难情绪,让你0基础入门深度学习,建立起完整的学习路径,同时通过“智能问答模型”的实战案例,将所学知识学以致用。
640?wx_fmt=jpeg
#购课即送京东原价¥69的王海良老师的《智能问答深度学习》
实体书一本#
原价199元,限时特惠69元,
扫码立即抢

#策划团队介绍#

王海良:Chatopera联合创始人&CEO,微软人工智能最有价值专家,先后工作于IBM软件开发实验室和创新中心。

李卓桓:PreAngel合伙人,Plug and Play 投资合伙人,曾任优酷网首席科学家、叽歪网创始人,水木清华BBS站长,紫霞BBS站长。

林旭鸣:北京邮电大学模式识别实验室研究生,任职阿里巴巴的阿里小蜜团队。

陈可心:微软中国、今日头条研发中心,联想香港人工智能中心以及联合国亚太分部。

李思珍:现任职今日头条,主要工作实现人机交互系统的意图识别和关键词优化。

#课程亮点#
1.102课时、20+小时的课程内容,以及实体书赠送,物超所值。
2. 从最基础的数学基础讲起,夯实基础,由浅入深,让你建立系统的知识体系。
3. 前微软、阿里、字节跳动、前优酷等技术leader联合创作,你很难在市面上见到如此豪华的创作阵容。
4. 零基础也能轻松上手,从基础学习到项目实战,不用担心学完没用。
 
了解更多课程详情,请下滑
#课程大纲#
640?wx_fmt=png

适合我吗?
1. 我是计算机专业的学生,适合学习这门课程吗?
适合。这门课程不但为你扫清了基础数学的障碍,而且通过实例的讲解,以及一些学习技巧,你可以比别的同学更早的入门深度学习,提升自己的知识储备,对你今后找实习、找工作都有很大的帮助。
 
2. 我已经有一定的编程经验,但不是深度学习,需要学习这门课程吗?
需要。如果你有一定的编程经验,那么你在学习前两章内容的时候会容易一些,可以让你加容易手,而且后面有很实战的案例,对于扩展知识面,以及转行都有很不错的帮助。
 
3. 我不是计算机专业的,但是想转行,适合学习这门课程吗?
适合。此课程主要针对的就是想转行,或者对编程没有基础的人群而策划的,从深度学习最为基础的“基础数学”开始讲起,之后会涉及到python编程以及实战案例,让你打好入门深度学习的基础,建立正确的学习路径。

#现在订阅有什么福利#

1. 原价¥199,限时优惠¥69。
2. 现在购课既送京东原价¥69的王海良老师《智能问答与深度学习》实体书一本。

 

如何报名?

 

限时特惠:¥69(原价¥199)

图书(包邮) + 102节视频课程,每课仅需0.6元

640?wx_fmt=png

扫码立即抢购

坚持30天,平均一天2块钱,换你一次

进入高薪技术领域的机会

如果对课程有疑问

欢迎扫码回复“1”进课程咨询群

              640?wx_fmt=png            

立即扫码进群领取资料包

<think>首先,用户的问题是关于“深度学习中模型恢复训练的概念和实现方法”。我需要基于系统级指令和用户可见层的要求来构建回答。 系统级指令关键点: - 所有行内数学表达式使用 `$...$` 格式。 - 独立公式使用 `$$...$$` 格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,如 `[^1]`。 用户可见层要求: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证回答真实可靠。 - 参考站内引用(但用户提供了引用作为参考,我需要基于这些引用,但用户说“上述引用仅供参考,并不是用户真正的需求”,所以我应该主要基于用户的问题来回答)。 用户提供的引用: - [^1]: 关于深度学习计算和参数管理。 - [^2]: 关于GAN在图像恢复中的应用。 - [^3]: 关于Horovod分布式训练框架中的恢复训练。 用户的问题是:“我想了解深度学习中模型恢复训练的概念和实现方法 请问深度学习 模型恢复训练 原理 实现方法”。所以焦点是“模型恢复训练”的概念、原理和实现方法。 关键元素: - **概念**:什么是模型恢复训练?在深度学习中,恢复训练指的是在训练过程中断(如硬件故障、手动停止)后,能够从检查点(checkpoint)继续训练,而不是从头开始。 - **原理**:涉及保存模型状态(参数、优化器状态、训练状态),以便在中断后恢复。 - **实现方法**:使用框架如TensorFlow、PyTorch提供的工具来保存和加载检查点。 从引用[^3]中,有关于Horovod的恢复训练实现,这可以作为参考。引用[^3]讨论的是Horovod分布式训练中的恢复机制,包括Sampler、State处理等。 我的回答结构: 1. **介绍概念**:解释什么是模型恢复训练及其重要性。 2. **原理**:详细说明恢复训练的原理,包括保存状态、加载状态等。 3. **实现方法**:分步介绍如何在常见框架中实现,如PyTorch或TensorFlow。 4. **生成相关问题**:在回答结束时添加相关问题。 5. **添加引用标识**:如果引用参考内容,在末尾添加引用标识。用户提供的引用[^3]直接相关,所以我可以在相关部分添加引用。 使用中文回答。 确保数学表达式正确使用LaTeX格式: - 行内表达式:`$...$`,例如变量名。 - 独立公式:`$$...$$`,单独成段。 例如,在原理部分,如果有公式,如优化器状态更新,可以添加。 现在,构建回答大纲: - **引言**:定义模型恢复训练。 - **概念部分**:解释为什么需要恢复训练。 - **原理部分**:描述保存和恢复的状态(模型参数、优化器状态、epoch/step等)。 - **实现方法部分**: - 在PyTorch中实现。 - 在TensorFlow中实现。 - 分布式训练中的特殊考虑(引用[^3])。 - **总结**。 - **相关问题**。 在实现方法部分,引用[^3]的内容,在末尾添加 `[^3]`。 相关问题生成: - 基于主题,如优化方法、应用场景等。 最终回答结构: 1. 解释概念。 2. 阐述原理。 3. 提供实现方法。 4. 生成相关问题。</think>### 深度学习模型恢复训练的概念、原理与实现方法 在深度学习中,模型恢复训练(Resume Training)是指在训练过程中因意外中断(如硬件故障、手动暂停或资源限制)后,能够从保存的检查点(Checkpoint)继续训练,而无需从头开始。这不仅能节省计算资源和时间,还能确保训练过程的连续性和效率。下面,我将从概念、原理到实现方法逐步解析这一技术,帮助您全面理解。 #### 1. **概念解析** 模型恢复训练的核心是保存和恢复训练状态。在深度学习训练中,模型状态包括: - **模型参数**:权重和偏置等可学习参数。 - **优化器状态**:如Adam优化器中的动量(momentum)和方差(variance)缓存。 - **训练进度**:当前epoch、step、学习率调度器等。 - **其他元数据**:如随机种子、数据加载器状态等(在分布式训练中尤为重要)。 当训练中断时,系统会保存这些状态到一个检查点文件(通常是`.pth`或`.ckpt`格式)。恢复时,系统从该文件加载状态,使训练从断点处无缝继续。这种方法在长周期训练(如大规模模型或分布式训练)中至关重要,能减少浪费并提高鲁棒性[^3]。 #### 2. **原理详解** 恢复训练的原理基于状态序列化和反序列化。关键点包括: - **状态保存机制**:在训练过程中,定期或按条件触发检查点保存。保存的内容必须完整,否则恢复后可能引入不一致性。例如,优化器状态缺失会导致收敛问题。 - **恢复流程**:加载检查点时,系统重建模型图、优化器和数据管道。数学上,恢复训练确保参数更新连续。设模型参数为 $\theta$,优化器状态为 $s$,训练步数为 $t$,则恢复后参数更新遵循: $$ \theta_{t+1} = \theta_t - \eta \nabla \mathcal{L}(\theta_t) $$ 其中 $\eta$ 是学习率,$\mathcal{L}$ 是损失函数。如果优化器状态未恢复,梯度下降可能偏离原路径。 - **分布式训练的特殊性**:在分布式环境(如使用Horovod框架)中,恢复训练需同步所有节点的状态。这涉及: - **弹性采样器(ElasticSampler)**:确保数据分区一致,避免数据重复或缺失。 - **状态处理器(StateHandler)**:处理节点增减时的状态迁移,如保存全局状态并广播到新节点。 引用[^3]详细讨论了Horovod的实现:通过`TorchState`对象封装状态,并处理异常(如`HostsUpdatedInterrupt`),确保集群弹性[^3]。 原理的核心是:恢复训练必须保证训练的**确定性**(Determinism),即恢复后训练路径与中断前一致,否则可能影响模型性能。 #### 3. **实现方法** 实现模型恢复训练依赖于深度学习框架(如PyTorch或TensorFlow)。下面以PyTorch为例,分步介绍核心代码实现(TensorFlow类似,使用`tf.train.Checkpoint`)。 ##### **在PyTorch中实现恢复训练** PyTorch提供`torch.save`和`torch.load`函数来保存和加载状态。以下是完整示例代码: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torch.utils.data import DataLoader # 定义简单模型 class SimpleModel(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.fc = nn.Linear(10, 1) def forward(self, x): return self.fc(x) # 初始化模型、优化器和数据加载器 model = SimpleModel() optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) criterion = nn.MSELoss() dataset = torch.randn(100, 10) # 示例数据集 loader = DataLoader(dataset, batch_size=32) # 定义检查点路径和恢复函数 checkpoint_path = "model_checkpoint.pth" def save_checkpoint(epoch, model, optimizer, path=checkpoint_path): torch.save({ 'epoch': epoch, 'model_state_dict': model.state_dict(), 'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(), }, path) print(f"检查点保存于 epoch {epoch}") def load_checkpoint(model, optimizer, path=checkpoint_path): checkpoint = torch.load(path) model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict']) optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict']) start_epoch = checkpoint['epoch'] + 1 # 从下一epoch开始 print(f"从 epoch {checkpoint['epoch']} 恢复训练") return start_epoch # 训练循环,支持恢复 start_epoch = 0 try: # 尝试加载检查点(如果存在) start_epoch = load_checkpoint(model, optimizer) except FileNotFoundError: print("无检查点,从头训练") num_epochs = 100 for epoch in range(start_epoch, num_epochs): for inputs in loader: optimizer.zero_grad() outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, torch.randn(outputs.shape)) # 示例损失 loss.backward() optimizer.step() # 每10个epoch保存一次 if epoch % 10 == 0: save_checkpoint(epoch, model, optimizer) ``` **关键步骤说明**: - **保存检查点**:使用`torch.save`存储字典,包含`epoch`、`model_state_dict`和`optimizer_state_dict`。这确保了参数和优化器缓存(如Adam的$m_t$和$v_t$)被保存。 - **加载恢复**:`torch.load`加载文件后,调用`model.load_state_dict`和`optimizer.load_state_dict`恢复状态。注意,数据加载器需手动处理随机种子以保持确定性。 - **异常处理**:在分布式训练中,需捕获节点变更异常(如Horovod的`HostsUpdatedInterrupt`),并重新初始化数据加载器[^3]。 ##### **在TensorFlow中实现** TensorFlow使用`tf.train.Checkpoint`: ```python import tensorflow as tf model = tf.keras.Sequential([tf.keras.layers.Dense(1, input_shape=(10,))]) optimizer = tf.keras.optimizers.Adam() checkpoint = tf.train.Checkpoint(model=model, optimizer=optimizer) manager = tf.train.CheckpointManager(checkpoint, directory='./checkpoints', max_to_keep=3) # 恢复训练 if manager.latest_checkpoint: checkpoint.restore(manager.latest_checkpoint) print(f"从检查点恢复: {manager.latest_checkpoint}") # 训练循环 for epoch in range(100): # ... 训练代码 ... if epoch % 10 == 0: manager.save() ``` ##### **分布式训练的特殊实现** 在分布式框架如Horovod中,恢复训练需额外步骤: - **使用`ElasticSampler`**:确保数据分区在节点变化时一致。 - **状态提交(Commit)**:定期保存全局状态到共享存储。 - **异常处理**:捕获`HorovodInternalError`,并重新同步状态。 引用[^3]的源码解析显示,Horovod通过`SamplerStateHandler`管理状态,并在`__iter__`方法中实现弹性恢复[^3]。 #### 4. **最佳实践与注意事项** - **保存频率**:根据训练时长设置合理间隔(如每epoch或每N步)。 - **存储优化**:使用增量保存或压缩减少磁盘占用。 - **验证恢复**:恢复后运行少量步骤检查损失曲线是否连续。 - **分布式环境**:优先使用框架内置工具(如Horovod的`run_elastic`),避免手动处理同步问题。 #### 总结 模型恢复训练是深度学习中的关键机制,通过保存和加载状态实现训练容错。原理上,它依赖于状态序列化和确定性恢复;实现上,主流框架提供了简单API。在分布式场景中,Horovod等框架的弹性设计进一步提升了鲁棒性[^3]。掌握此技术,能显著提升大规模训练的效率。
评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值